Vedyn tuotannon optimointi laboratoriomittakaavan fermentoreilla biopohjaisilla aineksilla

Abstract

Opinnäytetyön tavoitteena oli optimoida biovedyn tuotannon potentiaali pimeäfermentaatiolla biopohjaisilla aineksilla Biosfääri Pohjois-Savo -hankkeelle. Työ koostuu kirjallisuusselvityksestä, jossa selvitettiin biovedyn mikrobiologisia tekijöitä ja prosessiolosuhteiden optimointia. Selvityksen pohjalta työssä testattiin Biosfääri Pohjois-Savo -hankkeessa hankittua fermentori-laitteistoa biovetyä tuottaen ja laitteiston soveltuvuutta testaten biojalostusteknologiaan sekä uusien nestemäisten ja kaasumaisten tuotteiden tuottamiseen. Tavoitteena oli saada selville tutkittavien biopohjaisten aineksien vedyntuottopotentiaalit ja pohtia tulosten perusteella soveltuisivatko tutkittavat raaka-aineet potentiaalisiksi biovedyn lähteiksi. Tutkittavina biopohjaisina aineksina käytettiin elintarviketeollisuuden sivuvirtoina muodostuvia porkkana- ja kaalimassoja sekä metsäteollisuuden nollakuitua.

Vedyn tuotannon optimoimiseksi laboratoriomittakaavan pimeäfermentaatiolla, prosessista seurattiin näytteiden kuiva-aineen (TS) ja orgaanisen aineen (VS) pitoisuuksia, haihtuvien rasvahappojen (VFA) määrää sekä näytteiden pH:ta, sähkönjohtokykyä, redox-potentiaalia (ORP) ja happipitoisuutta. Laboratoriokokeissa saadut tulokset kirjattiin Excel-tiedostoon, jonka pohjalta tulokset jalostettiin opinnäytetyöhön sekä Biosfääri Pohjois-Savo -hankkeen käyttöön.

Valituilla biopohjaisilla aineksilla saatiin tuotettua vetyä. Suurimmat vedyn tuotannot saatiin porkkanalla. Keskiarvoinen vedyntuottopotentiaali porkkanalla oli 13,92 ml/gVS ja päiväkohtainen maksimi vedyntuottopotentiaali 34,34 ml/gVS. Kaalin keskiarvoinen vedyntuottopotentiaali oli 12,96 ml/gVS ja päiväkohtainen maksimi vedyntuottopotentiaali 23,64 ml/gVS. Nollakuidun vedyntuottopotentiaali tutkittiin kahdella eri kuormituksella. Näistä suuremman kuormituksen fermentorin keskiarvoinen vedyntuottopotentiaali oli 0,0794 ml/gVS ja pienemmän kuormituksen fermentorin keskiarvoinen vedyntuottopotentiaali oli 0,0466 ml/gVS. Laboratoriokokeiden tuloksien perusteella porkkanalla ja kaalilla voisi olla potentiaalia biovedyn raaka-aineina, jos tarkastellaan porkkanan ja kaalin päiväkohtaisia maksimi vedyntuottopotentiaaleja. Nollakuidun potentiaali biovedyn raaka-aineena jäi alhaiseksi, sen suhteellisen hitaan biohajoavuuden vuoksi.

The purpose of the thesis was to optimize the potential of biohydrogen production by dark fermentation with bio-based materials for the Biosfääri Pohjois-Savo -project. The work consists of a literature review in which the microbiological factors of biohydrogen and the optimization of dark fermentation process were investigated. On the basis of the study, the fermentor-equipment acquired in the Biosfääri Pohjois-Savo -project was tested by producing biohydrogen for its suitability for biorefining technology and the production of new liquid and gaseous products. The aim was to find out the hydrogen production potentials of the studied bio-based materials and consider on the basis of the results whether the studied raw materials would be suitable as potential sources of biohydrogen. Carrot and cabbage pulps formed as by-products of the food industry and zero fiber from the forest industry were used as the bio-based materials to be studied.

Hydrogen yield potential was studied with laboratory-scale continuous fermentors. Samples were taken from the dark fermentation process daily. From these samples total solids (TS) and volatile solids (VS) levels, the amount of volatile fatty acids (VFA), pH, electrical conductivity, oxidation-reduction potential (ORP) and oxygen content were analyzed to optimize hydrogen production. The results obtained in the laboratory tests were combined in an Excel file, based on which the results were processed to the thesis and the use of the Biosfääri Pohjois-Savo -project.

Hydrogen was produced with all selected bio-based materials. The largest hydrogen yield potential was obtained from carrot pulp. The average hydrogen yield potential of carrot pulp was 13.92 ml/gVS and the maximum daily hydrogen yield potential was 34.34 ml/gVS. The average hydrogen yield potential of cabbage pulp was 12.96 ml/gVS and the maximum daily hydrogen yield potential was 23.64 ml/gVS. The hydrogen yield potential of zero fiber was investigated with two different loads. Of these, the higher average hydrogen yield potential 0.0794 ml/gVS was reached with the larger load fermentor. The average hydrogen yield potential of the lower load fermentor was 0.0466 ml/gVS. Based on the results of laboratory tests, carrot and cabbage pulp could have potential as biohydrogen feedstocks. The potential of zero fiber as a raw material for biohydrogen production was low according to its relatively slow biodegradability.